KR100222954B1 - 전압형 pwm 컨버터의 제어각 연산장치 및 그 방법 - Google Patents

전압형 pwm 컨버터의 제어각 연산장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 제어각 연산장치는 3상의 전원전압이 컨버터부에 의해 공급되도록 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치에 있어서, 상기 3상의 전원전압으로부터 각 위상의 순서를 검출하여 순서에 따른 각 선간전압을 출력하는 선간전압검출부와, 상기 선간전압을 소정의 변환연산에 의해 상 전압으로 변환하는 상전압변환부와, 상기 상전압변환부의 상전압을 상기 컨버터부의 상전압으로 상쇄하여 그 상쇄값이 0이 되도록 제어각을 출력하는 제어각산출부로 구성된다. 이에 따라, 노이즈에 강인한 제어각을 간단하게 산출할 수 있기에 시스템의 성능을 시킬 수 있으며, 미지의 어떠한 부하라도 역률을 충분하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 간단한 구성으로 실제전압의 위상을 정확하게 검출하여 컨버터부에 가하기 때문에 제조단가를 줄일 수 있다.

Description

전압형 ＰＷＭ 컨버터의 제어각 연산장치 및 그 방법
본 발명은 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직류전원 공급형 파워스플라이어(POWER SUPPLYER)로 사용되는 3상의 PWM 컨버터를 제어하기 위해 기준좌표계의 변환에 따른 제어각을 연산하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치 및 그 방법에 관한 것이다.
직류전원 공급형 파워스플라이어는 직류 전동기의 속도 제어 드라이브용, 교류 전동기의 속도 제어 드라이브(인버터)의 전압원으로 사용된다. 그러므로 직류전원 공급형 파워스플라이어는 드라이브에 일정한 크기의 직류 전압을 공급해 주고, 단위 역률운전을 보장하는 전력전달이 가능하도록 제어된다.
전압형 PWM 컨버터는 위상(ω)이 120도씩 지연되어 있는 3상의 교류 전원 전압을 PWM(pulse width modulation)방식으로 정류하여 직류링크를 통해 일정한 직류전원을 출력하는 장치이다. 따라서, 상기 전압형 PWM컨버터의 출력에 부하를 연결하는 경우 상기 부하의 단위 역률 운전을 보장하는 양방향 전력전달을 가능케 하고, 또한 고조파의 감쇄, 빠른 부하 전력 변동 보상 등의 특성을 지니고 있기 때문에 제철산업이나 전동차 드라이브 시스템과 같은 고압 대용량 설비 시스템에서부터 공작기계용 스핀들 제어기 등과 같은 중 대용량 고성능 전동기 가변속제어 시스템에 이르기까지 산업계의 여러 분야에서 직류전압 공급원으로서 널리 사용되고 있는 장치이다.
이러한 전압형 PWM 컨버터의 종래기술은 도 1에 도시된 바와 같이, 위상(ω)이 120°씩 지연되어 있는 3상의 교류전압을 발생시키는 3상 전원공급부(1)와, 상기 3상 전원공급부(1)의 입력단 각각에 접속되는 전류제어용 교류접속 인덕터부(5)와, PWM제어신호에 의해 상기 인덕터부(5)로 접속된 3상의 전원을 각 상 별로 순차적으로 스위칭하여 정류시켜 직류전원을 출력하는 DC컨버터부(6)와, 상기 DC컨버터부(6)의 직류전원을 충전과 방전을 반복하면서 평활시키는 평활부(7)와, 상기 평활부(7)에서 평활된 직류전원을 받아 특별한 구동력을 발생시키는 미지의 부하 또는 외란(8)을 가지고 있다. 상기 3상 전원공급부(1)의 각 상전원에 대한 제로 크로싱(이하, 영점이라 칭함)을 검출하여 그 검출된 영점의 위상을 출력하는 영점검출부(2)와, 상기 영점의 위상을 소정의 발진주파수 위상과 비교하는 PLL 알고리즘에 따른 제어각(θ)을 출력하는 PLL부(3)와, 상기 PLL부(3)의 제어각 θ으로 PWM제어신호의 시점을 산출하여 그 시점으로부터 PWM제어신호를 상기 DC컨버터부(6)로 출력하는 PWM제어부(5)로 구성된다. 영점검출부(2)는 상기 상 전원의 선간전압이 영점을 통과하는 시점을 검출하여 그 시점의 영점위상을 출력한다. PLL부(3)는 시스템의 안정도를 향상시키기 위해서 상기 영점전위의 위상과 소정의 발진주파수 위상을 비교하여 그 오차에 비례한 전압이 발생되도록 한다. 이때, 발생하는 오차전압은 제어각 θ를 가진다.
상기와 같이 구성된 전압형 PWM 컨버터는, 3상 전원공급부(1)에서 미지의 부하 또는 외란(8)에 까지 3상의 교류전원을 역률이 높은 스위칭으로서 직류전원으로 변환하여 공급하는 메카니즘은 통상적인 컨버터의 흐름이고, 이 메카니즘중 DC컨버터부(6)는 PWM제어부(4)의 PWM제어신호에 의해서 상기 3상 전원을 직류전원으로 변환하여 상기 외란(8)에 변환된 전원을 공급한다. PWM 제어부(4)는 상기 DC컨버터부(6)에 드라이브 전압을 갖는 PWM제어신호가 제공되어야 하는데, 그 제어신호는 PLL부(3)의 알고리즘에 의한 제어각 θ에 따른 드라이브 전압의 위상으로 결정되는 것이다. 제어각 θ는 영점검출부(2)에서 상기 3상 전원공급부(1)로부터 검출되는 각 상 전원에 대한 영점의 위상과 소정의 발진주파수 위상을 비교한 그 오차를 의미하는 것으로서, PLL부(3)의 알고리즘에 따라 처리된다. 따라서 이와 같이 PLL부(3)는 처리된 제어각 θ에 의해서 전압형 PWM 컨버터의 역률향상을 이루는 필수 구성요소 중의 중요한 부분이다.
그러나 PLL부(3)는, 영점검출부(2)가 3상의 전원공급부(1)에서 혼합된 노이즈신호를 영점의 위상으로 처리하기 때문에 제어각 θ이 급변하게 되어 시스템을 불안전하게 하는 요인이 된다. 이를 방지하기 위한 대책은 상기 노이즈를 제거하기 위해 강력한 저역통과필터를 사용하여야 한다. 따라서 종래기술은 노이즈에 의해 시스템이 쉽게 불안전하게 되고, 노이즈를 제거하기 위해 저역통과 필터를 사용하더라도 PLL부의 자체 알고리즘이 복잡하고 지연현상이 발생하여 성능저하에 따른 정밀제어에는 부적합한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 3상의 전원전압의 선간전압에 따른 상 전압을 이용하여 제어각을 산출하여 안전한 컨버터의 드라이브를 이루도록 한 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치를 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치를 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 선간전압검출부를 나타낸 회로도,
도 4a 및 도 4b는 도 3의 선간전압검출부의 동작을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산방법을 나타낸 플로우 차트이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 선간전압검출부 11 : 상전압변환부
12 : 제어각산출부 13 : 포토커플러
상기 목적은, 본 발명에 따라, 3상의 전원전압이 컨버터부에 의해 공급되도록 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치에 있어서, 상기 3상의 전원전압으로부터 각 위상의 순서를 검출하여 순서에 따른 각 선간전압을 출력하는 선간전압검출부와, 상기 선간전압을 소정의 변환연산에 의해 상 전압으로 변환하는 상전압변환부와, 상기 상전압변환부의 상전압을 상기 컨버터부의 상전압으로 상쇄하여 그 상쇄값이 0이 되도록 제어각을 출력하는 제어각산출부로 구성된 제어각 연산장치에 의해 달성된다. 또한, 상기 제어각산출부의 제어각에 동기된 PWM제어신호를 컨버터부에 제공하는 PWM제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제어각산출부는 상기 상전압변환부의 상전압을 컨버터부의 상전압으로 상쇄시켜 그 상쇄값을 출력하는 합성부와, 상기 합성부는 상쇄값이 0이 되도록 비례,적분제어를 하여 제어각을 발생시키는 PI제어부를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 PI제어부는
Figure 1019970044871_B1_M0003
(Ed ＊: 상전압변환부의 상전압, Ed: 컨버터부의 상전압)에 의해 산출되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 상전압변환부의 변환연산은
Figure 1019970044871_B1_M0004
(Ed: 상전압, Eab, Eac: 선간전압)에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 선간전압검출부는 각 상의 선간에 전압을 검출하는 다수 포토커플러와, 각 상간의 전압역류을 방지하는 다수 다이오드를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 목적은, 본 발명의 다른 분야에 따라, 3상의 전원전압이 컨버터부에 의해 공급되도록 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산방법에 있어서, 상기 3상의 전원전압으로부터 각 위상의 순서를 검출하여 순서에 따른 각 선간전압을 출력하는 단계와, 상기 선간전압을 소정의 변환연산에 의해 상 전압으로 변환하는 단계와, 상기 상전압과 상기 컨버터부의 상전압을 비교하여 그 비교값이 0이 되도록 제어각을 산출하는 단계를 포함하는 제어각 연산방법에 의해 달성된다. 상기 산출된 제어각에 동기되어 PWM제어신호를 컨버터부에 제공하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서 상기 제어각산출단계는 상기 상전압을 컨버터부의 상전압으로 상쇄시켜 그 상쇄값을 출력하는 단계와, 상기 상쇄값이 0이 되도록 비례,적분제어를 하여 제어각을 산출시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 제어각발생단계는
Figure 1019970044871_B1_M0003
(Ed ＊: 상전압변환부의 상전압, Ed: 컨버터부의 상전압)에 의해 제어각이 산출되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 변환연산은
Figure 1019970044871_B1_M0004
(Ed: 상전압, Eab, Eac: 선간전압)에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치 및 그 방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치를 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 선간전압검출부를 나타낸 회로도이고, 도 4a 및 도 4b는 도 3의 선간전압검출부의 동작을 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치는 위상(ω)이 120°씩 지연되어 있는 3상의 교류전압을 발생시키는 3상 전원공급부(1)와, 상기 3상 전원공급부(1)의 입력단 각각에 접속되는 전류제어용 교류접속 인덕터부(5)와, PWM제어신호에 의해 상기 인덕터부(5)로 접속된 3상의 전원을 각 상 별로 순차적으로 스위칭하여 정류시켜 직류전원을 출력하는 DC컨버터부(6)와, 상기 DC컨버터부(6)의 직류전원을 충전과 방전을 반복하면서 평활시키는 평활부(7)와, 상기 평활부(7)에서 평활된 직류전원을 받아 특별한 구동력을 발생시키는 미지의 부하 또는 외란(8)을 가지고 있다. 상기 3상의 전원전압으로부터 각 위상의 순서를 검출하여 순서에 따른 각 선간전압을 출력하는 선간전압검출부(10)와, 상기 선간전압을 소정의 변환연산에 의해 상 전압으로 변환하는 상전압변환부(11)와, 상기 상전압변환부(11)의 상전압과 상기 CD컨버터부(6)의 상전압을 비교하여 그 비교값이 0이 되도록 제어각을 출력하는 제어각산출부(12)와, 상기 제어각산출부(12)의 제어각에 동기된 PWM제어신호를 컨버터부에 제공하는 PWM제어부(4)를 포함하여 구성된다.
3상 전원공급부(1)는, 전원전압이 3개의 위상(ω)(120°)으로 평형 3상 정현파전압이라면
Figure 1019970044871_B1_M0007
으로 각 상에 해당하는 전원전압을 가진다. 제어각산출부(12)는 상기 상전압변환부(11)의 상전압을 CD컨버터부(6)의 상전압으로 상쇄시켜 그 상쇄값을 출력하는 합성부(도시되지 않음)와, 상기 합성부는 상쇄값이 0이 되도록 비례,적분제어를 하여 제어각을 발생시키는 PI제어부(도시되지 않음)로 구성되고, 이때 PI제어부는
Figure 1019970044871_B1_M0003
(Ed ＊: 상전압변환부의 상전압, Ed: 컨버터부의 상전압)에 의해 산출된다. 선간전압검출부(10)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 각 상간의 전압을 검출하기 위해 그 상 간에 포토커플러(13)을 연결하고, 그들 선간에 다이오드가 설치되어 선간전압간의 역류를 방지한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 PWM 컨버터의 제어각 산출방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 인덕터부(5)에 전원을 공급하여 최종적으로 CD컨버터부(6)에 공급하는 3상의 전원전압을 발생시키면(S1), 선간전압검출부(10)는 정자좌표계로 표현되는 Ea=Esinωt ,
Figure 1019970044871_B1_M0009
Figure 1019970044871_B1_M0010
의 전원전압을 평형 3상 전원 조건하에서 각 상의 순서에 따라(S2) 선간전압을 검출한다(S3). 그 선간전압은 상기 각 상전압을 이용하여 각 상간의 전압으로 표현되는 Eab, Ebc, Eca이다. 즉, 도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같이 각 상에 따른 전압 Ea, Eb, Ec의 순서는 Ea에서 순차적이냐, 또는 Ec에서 순차적이냐에 따라서 그 선간전압은 다르게 나타날 수 있지만 상기 각 순서가 반복되면 그 순서는 동일하게 순환되기 때문에 한 종류의 선간전압들만을 임의로 결정하면 된다. 여기서, 상기 선간전압은 3상의 전원전압이 정지좌표계에서 표현되는 것으로써, 그 선간전압은 실제로 동기좌표계에서 흐르는 것이기 때문에 상전압변화부(11)에서 동기좌표계의 표현인 상전압 형태로 변환된다(S4). 그리고 3상 전원전압이 상과 상의 차이가 일정하여 제어각 조정이 가능한 하기의 수학식 1의 Ed ＊로서 상전압을 대신하고, 나머지 다른 전압값들중 하나는 0로서 삭제가 되고, 그 나머지는 제어각과는 무관한 것으로 사용하지 않는다.
Figure 1019970044871_B1_M0001
제어각산출부(12)는, 상기 산출된 상전압 Ed ＊와 컨버터부(6)을 통한 평활부(7)에 충전된 상전압 Ed를 합성하면 그 합성은 합성부(도시되지 않음)에서 서로 상쇄되어 나타나고, 그 상쇄된 값은 PI제어부(도시되지 않음)에서 0으로 되도록 하기의 수학식 2로 연산되어 상기 제어각 θ이 산출된다(S5). 이 수학식 2는 상기 상쇄된 상전압은, 제어각이 실제각과 일치할 경우는 0이 되고, 제어각이 실제각보다 앞설 경우는 양의 값이 되고, 제어각이 실제각보다 되질 경우는 음의 값이 되므로, 상쇄된 상전압이 0 이 되도록 제어각을 수정해 나가면 실제각과 제어각을 일치시킬 수 있음을 의미한다.
Figure 1019970044871_B1_M0002
이와 같이 산출된 제어각 θ은 PWM제어부(4)에서 PWM제어신호를 동기화시키는 기초가 되며, PWM제어부(4)는 그 제어각에 다른 PWM제어신호를 상기 컨버터부(6)에 출력하여 3상의 전원전압이 효률과 역률이 좋은 직류전원으로 변환되도록 제어한다(S6).
본 발명은 노이즈에 강인한 제어각을 간단하게 산출할 수 있기에 시스템의 성능을 시킬 수 있으며, 미지의 어떠한 부하라도 역률을 충분하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 간단한 구성으로 실제전압의 위상을 정확하게 검출하여 컨버터부에 가하기 때문에 제조단가를 줄일 수 있다.

Claims (11)

  1. 3상의 전원전압이 컨버터부에 의해 공급되도록 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치에 있어서,
    상기 3상의 전원전압으로부터 각 위상의 순서를 검출하여 순서에 따른 각 선간전압을 출력하는 선간전압검출부와;
    상기 선간전압을 소정의 변환연산에 의해 상 전압으로 변환하는 상전압변환부와;
    상기 상전압변환부의 상전압을 상기 컨버터부의 상전압으로 상쇄하여 그 상쇄값이 0이 되도록 제어각을 출력하는 제어각산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어각산출부의 제어각에 동기된 PWM제어신호를 컨버터부에 제공하는 PWM제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어각산출부는,
    상기 상전압변환부의 상전압을 컨버터부의 상전압으로 상쇄시켜 그 상쇄값을 출력하는 합성부와;
    상기 합성부는 상쇄값이 0이 되도록 비례,적분제어를 하여 제어각을 발생시키는 PI제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 PI제어부는
    Figure 1019970044871_B1_M0003
    (Ed ＊: 상전압변환부의 상전압, Ed: 컨버터부의 상전압)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상전압변환부의 변환연산은
    Figure 1019970044871_B1_M0004
    (Ed: 상전압, Eab, Eac: 선간전압)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선간전압검출부는 각 상의 선간에 전압을 검출하는 다수 포토커플러와, 각 상간의 전압역류을 방지하는 다수 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산장치.
  7. 3상의 전원전압이 컨버터부에 의해 공급되도록 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산방법에 있어서,
    상기 3상의 전원전압으로부터 각 위상의 순서를 검출하여 순서에 따른 각 선간전압을 출력하는 단계와;
    상기 선간전압을 소정의 변환연산에 의해 상 전압으로 변환하는 단계와;
    상기 상전압과 상기 컨버터부의 상전압을 비교하여 그 비교값이 0이 되도록 제어각을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 산출된 제어각에 동기되어 PWM제어신호를 컨버터부에 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제어각산출단계는,
    상기 상전압을 컨버터부의 상전압으로 상쇄시켜 그 상쇄값을 출력하는 단계와;
    상기 상쇄값이 0이 되도록 비례,적분제어를 하여 제어각을 산출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어각발생단계는
    Figure 1019970044871_B1_M0003
    (Ed ＊: 상전압변환부의 상전압, Ed: 컨버터부의 상전압)에 의해 제어각이 산출되는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 변환연산은
    Figure 1019970044871_B1_M0004
    (Ed: 상전압, Eab, Eac: 선간전압)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 전압형 PWM 컨버터의 제어각 연산방법.
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